מה אתה יודע על חיישנים אלקטרוכימיים יִשְׂרָאֵל

החיישן האלקטרוכימי הוא סוג של חיישן המסתמך על התכונות האלקטרוכימיות של האנליט כדי להמיר את הכמות הכימית לכמות חשמלית לצורך חישה וזיהוי.

החיישנים האלקטרוכימיים המוקדמים ביותר מתוארכים לשנות החמישים, כאשר הם שימשו לניטור חמצן. ועד שנות ה-1950, כאשר הם שימשו לניטור מגוון רחב של גזים רעילים והראו רגישות וסלקטיביות טובה.

Ⅰ. עקרון עבודה של חיישן אלקטרוכימי

 חיישנים אלקטרוכימיים פועלים על ידי תגובה כימית עם הגז הנמדד והפקת אות חשמלי פרופורציונלי לריכוז הגז. רוב חיישני הגז האלקטרוכימיים מייצרים זרם שהוא פרופורציונלי ליניארי לריכוז הגז.

 חיישן גז אלקטרוכימי פועל באופן הבא: מולקולות גז המטרה במגע עם החיישן עוברות תחילה דרך דיאפרגמה המונעת עיבוי ומשמשת גם כמחסום אבק. אז מולקולות הגז מתפזרות דרך צינור נימי, אולי דרך מסנן עוקב, ולאחר מכן דרך קרום הידרופובי אל פני האלקטרודה החישה. שם המולקולות מתחמצנות או מופחתות באופן מיידי, וכך נוצרות או צורכות אלקטרונים וכך נוצר זרם חשמלי.

 חשוב לציין שכמות מולקולות הגז הנכנסות לחיישן בדרך זו מוגבלת על ידי דיפוזיה דרך הנימים. על ידי ייעול הנתיב מתקבל אות חשמלי מתאים בהתאם לטווח המדידה הרצוי. העיצוב של אלקטרודת החישה חיוני להשגת היענות גבוהה לגז המטרה ולדיכוי תגובות לא רצויות לגזים מפריעים. היא כוללת מערכת תלת-שלבית למוצקים, נוזלים וגזים, וכולם כוללים זיהוי כימי של גז האנליט. התא האלקטרוכימי מושלם על ידי מה שנקרא אלקטרודת הנגד, אלקטרודת ה-Cont, אשר מאזנת את התגובה באלקטרודת החישה. הזרם היוני בין אלקטרודת ה-Cont לאלקטרודת Sen מועבר על ידי האלקטרוליט בתוך גוף החיישן, בעוד שמסלול הזרם מסופק דרך חוט שסופו על ידי מחבר פינים. אלקטרודה שלישית כלולה בדרך כלל בחיישנים אלקטרוכימיים (חיישני 3 אלקטרודות). מה שנקרא אלקטרודת התייחסות משמשת לשמירה על הפוטנציאל של אלקטרודת החישה בערך קבוע. לשם כך ובדרך כלל להפעלת חיישנים אלקטרוכימיים, נדרש מעגל פוטנציאלי קבוע.

Ⅱ. רכיבים של חיישן אלקטרוכימי

החיישן האלקטרוכימי מורכב מארבעת מרכיבי המפתח הבאים:

1. ממברנות נושמות (הידוע גם בשם ממברנות הידרופוביות): ממברנות אלו משמשות לכיסוי אלקטרודות החישה (קטליטיות) ובמקרים מסוימים מווסתות את המשקל המולקולרי של גזים המגיעים אל פני האלקטרודה. בדרך כלל, ממברנות אלה מיוצרות מסרטי טפלון עם נקבוביות נמוכה. כאשר ממברנות אלו משמשות לכיסוי האלקטרודות, החיישנים מכונים חיישנים מצופים. לחלופין, ניתן להשתמש בסרט טפלון בעל נקבוביות גבוהה, יחד עם נימי, כדי לשלוט במשקל המולקולרי של הגז המגיע לפני השטח של האלקטרודה. תצורה זו ידועה כחיישן מסוג נימי. מלבד מתן הגנה מכנית לחיישן, הסרט מתפקד גם כמסנן ומבטל חלקיקים לא רצויים. כדי להבטיח שהמשקל המולקולרי המתאים של הגז יורשה לעבור דרכו, חיוני לבחור את גודל הצמצם המתאים הן לממברנה והן לנימים. גודל הצמצם חייב לאפשר למולקולות גז מספיקות להגיע לאלקטרודת החישה תוך מניעת דליפה או ייבוש מהיר של האלקטרוליט הנוזלי.

2. אלקטרודה: חשוב לבחור בקפידה את חומר האלקטרודה. החומר צריך להיות קטליטי, מסוגל לבצע תגובה חצי אלקטרוליטית לאורך תקופה ממושכת. בדרך כלל, אלקטרודות עשויות ממתכות יקרות, כמו פלטינה או זהב, אשר מגיבות ביעילות עם מולקולות גז באמצעות קטליזה. בהתאם לתכנון החיישן, שלוש האלקטרודות עשויות להיות בנויות מחומרים שונים כדי להקל על תגובת האלקטרוליזה.

3. אלקטרוליט: האלקטרוליט חייב להיות מסוגל להקל על תגובות אלקטרוליטיות ולהעביר ביעילות מטען יוני לאלקטרודה. זה חייב גם ליצור פוטנציאל ייחוס יציב עם אלקטרודת הייחוס ולהיות תואם לחומרים המשמשים בתוך החיישן. יתר על כן, אידוי מהיר של האלקטרוליט עלול להוביל להיחלשות של אות החיישן, מה שעלול לפגוע בדיוק ובאמינות שלו.

4. מסננים: מדי פעם, מסנני scrubber ממוקמים מול החיישן כדי לסלק גזים לא רצויים. מבחר המסננים מוגבל, כאשר כל סוג מציג רמת יעילות מובהקת. פחמן פעיל עומד כחומר המסנן הנפוץ ביותר, המסנן למעשה את רוב הכימיקלים, למעט חד תחמוצת הפחמן. על ידי בחירה קפדנית של אמצעי הסינון המתאימים, חיישנים אלקטרוכימיים משיגים סלקטיביות מוגברת כלפי הגזים המיועדים להם.

Ⅲ. סיווג של חיישן אלקטרוכימי

ישנן דרכים רבות לסווג חיישנים אלקטרוכימיים. בהתאם לאותות הפלט המשתנים שלהם, ניתן לחלק אותם לחיישנים פוטנציומטריים, חיישנים אמפרומטריים וחיישנים מוליכים.

על פי החומרים המתגלים על ידי חיישנים אלקטרוכימיים, חיישנים אלקטרוכימיים יכולים להיות מסווגים בעיקר לחיישני יונים, חיישני גז וביו חיישנים.

Ⅳ. מאפיינים עיקריים וגורמי השפעה

1. רגישות

הגורמים העיקריים המשפיעים על הרגישות כוללים: פעילות זרז, כניסת אוויר, מוליכות אלקטרוליטים וטמפרטורת הסביבה.

2. שחזור תגובה

הגורמים העיקריים המשפיעים על מהירות התאוששות התגובה הם פעילות זרז, מוליכות אלקטרוליטים, מבנה תאי הגזים, תכונות הגז וכו'.

3. סלקטיביות/התערבות צולבת

הגורמים העיקריים המשפיעים על הסלקטיביות כוללים את סוג הזרז, אלקטרוליט, מתח הטיה, מסנן וכו'.

4. חזרה/יציבות לטווח ארוך

גורמים המשפיעים על החזרה כוללים: יציבות מבנה האלקטרודה, יציבות אלקטרוליטים, יציבות מעגל הגז וכו'.

5、ביצועים בטמפרטורה גבוהה ונמוכה

גורמים המשפיעים על יציבות טמפרטורה גבוהה ונמוכה כוללים: פעילות זרז, יציבות מבנה האלקטרודה ומאפייני גז.

V. ארבעה יישומים עיקריים של חיישנים אלקטרוכימיים

חיישנים אלקטרוכימיים נמצאים בשימוש נרחב באזורים תעשייתיים ואזרחיים של גילוי גזים, יכולים לזהות אוזון, פורמלדהיד, פחמן חד חמצני, אמוניה, מימן גופרתי, דו תחמוצת הגופרית, חנקן דו חמצני, חמצן וגזים אחרים, הנפוצים בשימוש במכשור נייד ומכשור לניטור גז מקוון.

1. חיישן לחות

הלחות היא אינדיקטור חשוב לסביבת האוויר, ללחות האוויר וגוף האדם יש קשר הדוק בין חום האידוי, טמפרטורה גבוהה ולחות גבוהה, עקב קשיי אידוי המים בגוף האדם ומרגישים מחניקים, טמפרטורה נמוכה ו. לחות גבוהה, תהליך פיזור החום של גוף האדם הוא אינטנסיבי, קל לגרום להצטננות ולכוויות קור. הטמפרטורה המתאימה ביותר לגוף האדם היא 18 ~ 22 ℃, הלחות היחסית היא 35% ~ 65% RH. בתחום ניטור הסביבה והבריאות, הוא נפוץ בשימוש בתרמו-היגרומטר נורה רטוב, מד לחות ביד, מד לחות אוורור ומכשירים אחרים לקביעת לחות האוויר.

בשנים האחרונות, מספר רב של ספרות מדווחת על השימוש בחיישנים לקביעת לחות האוויר. גבישי הקוורץ הפיאזואלקטריים המצופים המשמשים לקביעת הלחות היחסית מיוצרים לגבישי קוורץ פיזואלקטריים קטנים על ידי פוטוליתוגרפיה וטכניקות תחריט כימיות, וארבעה חומרים מצופים על גבישי הקוורץ בחיתוך AT 10 מגה-הרץ, בעלי רגישות מסה גבוהה ללחות. הגביש הוא מהוד במעגל נדנוד שתדירותו משתנה עם המסה, ובאמצעות בחירת הציפוי המתאים, ניתן להשתמש בחיישן כדי לקבוע את הלחות היחסית של גזים שונים. הרגישות, ליניאריות התגובה, זמן התגובה, הסלקטיביות, ההיסטרזיס ואורך החיים של החיישן תלויים באופי של כימיקלים הציפוי.

2, חיישן תחמוצת חנקן

תחמוצת חנקן היא מגוון של תחמוצות חנקן המורכבות מתערובת של גזים, המתבטאת לרוב כ-NOX. בתחמוצת החנקן, צורות שונות של תחמוצת חנקן היציבות הכימית שונה, האוויר מחולק לרוב לתכונות כימיות יציבות יחסית של חד תחמוצת החנקן וחנקן דו חמצני, נראה כי משמעותן בהיגיינה חשובה יותר מצורות אחרות של תחמוצת חנקן.

בניתוח סביבתי, תחמוצת חנקן מתייחסת בדרך כלל לחנקן דו חמצני. השיטה הסטנדרטית של סין לניטור תחמוצות חנקן היא השיטה הקולורימטרית של נפתלין אתילן-דיאמין הידרוכלוריד, רגישות השיטה היא 0.25ug/5ml, שיטת מקדם ההמרה מושפעת מהרכב התמיסה הסופגת, ריכוז החנקן הדו-חמצני, המהירות של איסוף גזים, מבנה צינור הבולם, דו-קיום של יונים וטמפרטורה וגורמים רבים אחרים, לא לגמרי מאוחדים. קביעת חיישן היא שיטה חדשה שפותחה בשנים האחרונות.

חיישן גז מימן גופרתי 3

מימן גופרתי הוא גז דליק חסר צבע עם ריח מיוחד של ביצים רקובות, מגרה וחונק ומזיק לגוף האדם. רוב השיטות משתמשות בקלומטריה וכרומטוגרפיה גז כדי לקבוע מימן גופרתי באוויר. קביעת מזהמי אוויר שתכולתם נמוכה לרוב כמו רמת מ"ג/מ"ק היא אחד היישומים העיקריים של חיישני גז, אך חיישני גז מוליכים למחצה אינם מסוגלים לעמוד בדרישות הרגישות והסלקטיביות לניטור גזים מזהמים מסוימים בתקופה קצרה של זמן.

מערך חיישני הסרט הדק המסומם בכסף מורכב מארבעה חיישנים המתעדים בו-זמנית את ריכוזי הגופרית הדו-חמצנית ומימן גופרתי באמצעות מנתח אוניברסלי המבוסס על טיטרציה קולומטרית והאותות ממערך חיישני הגז המוליכים למחצה. התרגול הראה שחיישני סרט דק מסוממים בכסף המשמשים ב-150 מעלות צלזיוס בטמפרטורה קבועה יעילים לניטור תכולת מימן גופרתי באוויר עירוני.

4. חיישן דו חמצני גופרית

דו תחמוצת הגופרית הוא אחד החומרים העיקריים המזהמים את האוויר, וגילוי דו תחמוצת הגופרית באוויר הוא חלק קבוע בבדיקות האוויר. יישום חיישנים בניטור דו תחמוצת הגופרית הראה עליונות רבה, מקיצור זמן הגילוי ועד להורדת גבול הגילוי. פולימרים מוצקים משמשים כממברנות חילופי יונים, כאשר צד אחד של הממברנה מכיל אלקטרוליטים פנימיים עבור אלקטרודות הנגד וההתייחסות, ואלקטרודת פלטינה מוכנסת בצד השני ליצירת חיישן דו תחמוצת הגופרית. החיישן מותקן בתא זרימה ומחמצן גופרית דו חמצנית במתח של 0.65V. לאחר מכן מצוין תכולת הדו תחמוצת הגופרית. מכשיר החישה מפגין רגישות זרם גבוהה, זמן תגובה קצר, יציבות טובה, רעשי רקע נמוך, טווח ליניארי של 0.2 ממול/ליטר, מגבלת זיהוי של 8*10-6 ממול/ליטר ויחס אות לרעש מתוך 3.

החיישן יכול לא רק לזהות דו תחמוצת גופרית באוויר, אלא גם לשמש לזיהוי דו חמצני גופרית בנוזל מוליכות נמוכה. הציפוי הרגיש לגז של חיישן גז גופרית דו חמצני שעבר שינוי אורגני סיליקט הופק תוך שימוש בתהליך סול-ג'ל וטכנולוגיית ספין. ציפוי זה מציג יכולת שחזור והפיכות מצוינים בקביעת דו תחמוצת הגופרית, עם זמן תגובה מהיר של פחות מ-20 שניות. בנוסף, הוא מפגין אינטראקציה מינימלית עם גזים אחרים ומושפע מינימלית משינויים בטמפרטורה ולחות.